采用文献计量可视化知识图谱分析的装配式建筑预制供应链管理

秦旋，张赵鑫，朱倩影

(华侨大学 土木工程学院，福建 厦门 361021)

作为国民经济支柱产业的建筑业，长久以来存在着能耗高、污染多、生产方式粗放、资源浪费严重等问题.这些弊端与我国现阶段力求经济高质量发展的大方向相背离，因此，绿色建筑的理念应运而生.装配式建筑作为绿色建筑理念的重要构成部分，在国外已经取得了较大发展并形成一定的产业规模，但在我国依旧处于起步阶段.因此，国家出台政策，大力发展装配式建筑[1].预制构件是装配式建筑的核心元素，在时间上，它将建筑项目施工过程的某些阶段提前；在空间上，它将建筑部件的生产过程转移到工厂内，以流水线生产方式代替原来落后的现场湿作业过程.构件由预制厂根据订单要求生产出来；在指定的日期将其运输到施工现场，通过可靠的连接方式进行装配，完成一个供应链循环[2].预制供应链不同于传统制造业供应链，兼具建筑业独有要求，预制供应链管理就是反复执行接收订单-生产-运输-装配过程，直至项目按调度计划完成，从而提高建设效率并保证预期效益的实现.目前，预制供应链上各环节(如生产阶段的次优排产计划、延迟/提前交付的惩罚成本、库存及装配阶段的现场需求等)效率低，导致装配式建筑项目目标的实现不尽如人意，从业者日益认识到预制供应链管理的重要性[3].

本文为掌握装配式建筑预制供应链管理的发展现状，科学、量化地总结和分析预制供应链管理领域的发展概貌，选用知识图谱工具对从Web of Science(WOS)核心合集数据库中筛选出的预制供应链管理相关文献进行科学计量，进而从各个角度全面审视该领域的热点研究，并梳理每个主题下的典型文献，在此基础上，讨论预制供应链管理理论的现有优秀成果及未来的研究机会，以期对我国预制供应链管理研究发展和推广装配式建筑具有借鉴意义.

1 数据来源及研究方法

1.1 数据来源

WOS核心合集数据库是全球最大、覆盖学科最多的综合性学术信息资源库，收录了自然科学、工程技术、生物医学等各个研究领域12 000多种世界权威且影响力高的学术期刊，具有较强的学术代表性[4].因此，以WOS核心合集数据库为文献数据来源，为确保文献来源的全面与准确，严格定义文献检索关键词，并限定以下4个检索条件.

1)目标文献全部为同行评审且发表见刊的英文文献.

2)为避免数据库收录学科的差异，设定建筑工程、工程管理等相应学科.

3)研究内容为预制生产建设活动或预制供应链管理工作相关内容，涉及生产、存储、运输交付和装配等阶段，且不完全排除包含有技术等方面的研究.

4)文献为近20 a(2000-2019年)发表，以论文(Article)为主，即不考虑会议论文(Conference Paper)，编辑点评(Editor′s Comment)等.

首先，在WOS界面选择数据库“Web of Science Core Collection”，设置“Topic”为检索方式，按照所设定检索条件和定义的关键词进行检索.WOS检索关键词列表，如表1所示.

表1 WOS检索关键词列表

1.2 研究方法

采用定量与定性分析相结合的方法，其中，定量研究采用文献计量学方法，借助科学知识图谱工具VOSviewer.VOSviewer在共现分析方面，图形化展示方式较为丰富，显示较为清晰，使得文献计量学的分析结果易于解释.定性分析是通过对各研究主题下文献(尤其是典型文献)主要内容进行梳理，剖析当前预制供应链管理的研究现状、热点和空白.

2 文献数据分析

文献数据分析包括文献的出版年及发文量统计、影响力(期刊、作者影响力)分析、关键术语共现及研究主题分类.文献的出版年及发文量统计可以从某种程度上反映目标研究领域的热门程度和走势；影响力分析有助于了解该领域的重点研究平台、主要研究者及研究团队；关键术语共现及研究主题分类则有助于进一步挖掘研究现状与未来研究机会.

2.1 出版年及发文量

年度发文量在研究年限中的分布(2000-2019年)，如表2所示.由表2可知：2000-2012年，有关预制供应链管理的发文量很少，年发文量均在5篇以下；2012年后研究升温，成果逐年递增，并从2017年开始发文量突破个位数.从近20 a看，伴随着装配式建筑发展而新兴的预制供应链管理发文量从无到有，但总体数量还较少，表明预制供应链管理相关研究仍处于发展阶段；而近5 a文献发表数量显著上升，显示了装配式建筑的加速推广，以及对预制供应链管理理论的日益需求.随着未来智慧工地、智能供应链等的不断兴起，对预制供应链管理的研究将会继续掀起热潮.

表2 年度发文量在研究年限中的分布(2000-2019年)

2.2 影响力分析

检索得到的105篇文献来自35种不同期刊，文献来源分散表明预制供应链管理相关研究还未形成比较集中的重点期刊平台支撑.由于期刊的载文量和被引次数可以从一定程度上反映期刊在该研究领域的影响力，表3列出预制供应链管理相关研究载文量4篇及以上的期刊.

表3 相关文献期刊影响力排名

由表3可知：这5种期刊共载文61篇，占被统计文献数量的58%；《Automation in Construction》刊载了23篇相关文章，总被引次数高达729次，载文量和被引次数均排第1位，具有最高的影响力，其次分别是《Journal of Cleaner Production》《Journal of Construction Engineering and Management》《Journal of Computing in Civil Engineering》等，这些刊物刊载的文章涉及的预制供应链管理研究主题包括预制构件的生产调度、装配式建筑信息化技术、预制供应链绩效优化等方面，展示了预制供应链管理研究内容的多样性.

相关文献作者影响力排名，如表4所示.

表4 相关文献作者影响力排名

基于论文成果提取的作者合作网络包含了各作者所属研究领域中的重要性指标(中心度大小)及相互之间的合作关系(链接强弱)，表达了现有研究成果的作者之间合作紧密程度、研究团队规模和成熟度.

通过VOSviewer软件提取作者共现网络，相关文献研究作者合作网络，如图1所示.由图1可知：3个紧密聚集区域的节点中心度较大，即作者成果较多且作者之间合作频次较高.因此，目前预制供应链管理领域研究具有一定规模有3个研究团队.

图1 相关文献研究作者合作网络

1)上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院的HU Hao教授是最早开展预制构件车间内生产研究的学者之一，他的研究团队(包括WANG Zhaojiang)长期致力于预制构件的生产调度优化、准时交付、预制供应链管理理论等的研究.

2)墨尔本皇家理工大学房地产及土木工程学院的ARASHPOUR M，他们的研究团队致力于预制构件的生产调度、资源配置、最优决策的研究.

3)香港理工大学建设与房地产学院的SHEN G Q的研究团队致力于供应链管理的风险、效益.

HU Hao(10)(作者(出现频次))，WANG Zhaojiang(7)，ARASHPOUR M(7)，SHEN G Q(7)，KO C H(6)等成果较多的作者构成该合作网络视图的主要节点，这也印证了文献计量学中衡量学科文献作者分布规律的普赖斯定律，即在同一主题下，半数的论文由一批高产能作者撰写[5].这些主要团队和作者的研究动态在一定程度上反映了预制供应链管理领域的研究重点，他们在该领域的研究值得关注和追踪.

2.3 关键术语共现及主题分类

文章标题、摘要和关键字中出现的学科术语对表述文章中心内容思想有实质意义，学科术语出现的频率代表该术语所指向研究主题的热度.通过VOSviewer软件进行高频学科术语共现分析，选择All keywords作为分析对象，并显示出现频次为60的关键学科术语.标题、摘要和关键字中的高频学科术语共现网络，如图2所示.图2中：每个节点表示一个主题词(主题词标签已显示)；主题词节点中心度大小表示该词出现的频次；节点间的连线表示两个词之间存在共现关系(文中由300条最强的共现连接)；连线粗细代表两个词之间共现的强度(次数)；以不同颜色进行聚类显示，分别是预制构件生产调度优化(蓝色)、预制供应链绩效管理(绿色)和预制供应链风险管理(红色).

图2 标题、摘要和关键字中的高频学科术语共现网络

部分高频学科术语列表，如表5所示.由表5可知：model(22)(高频词(出现频次))，prefabrication(21)，management(21)，construction(20)，optimization(19)，off-site production(18)代表对预制供应链管理的研究主要是从场外预制生产最优化的角度出发，运用数学建模的思维方法改善预制供应链管理；Hong Kong为迅速发展的地区；与管理相关的重要共现词包括design，performance，framework，system，表明预制供应链管理的主要诉求是合理的框架、系统的设计及绩效；涉及预制供应链管理最重要环节生产调度阶段的研究，optimization作为高频词与model，genetic algorithms，simulation，scheduling重要共现词联系紧密，展示了遗传算法和仿真等计算机辅助运算是该部分的主要研究方法，用来评估预制构件生产计划、资源分配、布局优化及准时交付等目标，帮助预制供应链管理者进行决策.

表5 部分高频学科术语列表

3 3大研究主题研究现状

3.1 预制构件生产调度优化

装配式建筑改革了传统的建筑业生产模式，预制构件制造过程借鉴制造业流水线生产方式，提高了工业化程度[6-16].目前，对预制构件生产调度进行了较多的研究，而研究内容主要集中在资源受限条件下寻找最优生产计划以满足现场交付日期或生产成本要求.受限的生产资源包括生产流水线、劳动力、模具、缓冲区大小等，生产计划则是预制构件的加工顺序.

预制构件生产调度研究优化典型文献，如表6所示.

表6 预制构件生产调度研究优化典型文献

文献[6-7]较早研究车间生产预制构件的相关流程和特殊性的工艺，提出6工序(支模、钢筋预埋件、混凝土浇筑、养护、拆模、成品修复)预制构件生产过程模型，认为预制构件生产调度问题是典型的非确定性多项式难题(NP-hard)，以最小化完工时间和最小化惩罚成本为优化目标，建立预制构件流水车间的排序模型(FSSM).此后的研究大多在此模型上进行了改进，研究的完整度和贴近现实程度也在不断扩展.

Leu等[8]考虑预制构件生产人员的组合和规模、资源数量、混合生产策略、项目规模等约束，寻找预制构件生产最优序列，认为混合生产策略的流水作业生产工艺比传统的分步生产工艺效果更好.Ko等[9-10]认为先前的预制构件生产调度模型建立在工作站之间的缓冲区是无限的假设上，而实际缓冲区的大小有限并制约生产过程的流畅度，提出要限制缓冲区大小.为了实现复杂结构预制生产的模具资源和成本优化.Khalili等[11]基于预制构件分组思想，在有限的模具资源条件下，力求降低模具成本.Wang等[12]则将工人能力因素加入预制构件生产调度模型中，丰富了资源受限条件下的研究内容.

因为早期的生产调度资源受限，研究大多只从预制构件厂商视角进行寻优，但近年来，Wang等[13]将6工序预制构件生产过程模型扩展到9工序(模具制造、支模、钢筋预埋件、混凝土浇筑、养护、拆模、成品修复、存储、运输)预制构件生产过程模型，从整个装配式预制供应链角度出发，考虑白天、夜间和全天3种不同运输情形，建立了与交付环节的联系.

一直以来，预制构件的准时交付与生产成本最低是两个互相矛盾的目标，为了在这两个矛盾目标之间进行权衡，Wang等[3]弥补了以往研究中对排队等待过程、操作特性和加工时间不确定性的不足，提高了预制生产调度方法在实际目标优化中的适用性.

以上研究均为单一流水线调度问题.为解决多流水线排产计划，Yang等[14]综合了预制构件生产组织的全过程，提出生产调度相关计划和管控的关键技术，开发优化管理系统优化生产决策.Wang等[15]则考虑需求变化下的动态生产计划，从生产线选择和基于预制构件优先级两个层次出发，最大限度降低需求产生变化时的再调整成本.

3.2 预制供应链绩效管理

与预制构件的生产调度优化研究相比，其存储、运输阶段研究较少[17-24]，文中将预制构件的存储、运输阶段的研究纳入整个供应链视角下的预制供应链绩效管理研究中.供应链绩效管理研究典型文献，如表7所示.Ko[17]为了实现现场装配要求的准时交付目标，提出一个3组件框架，可以为预制厂商显著减少库存.准时化(JIT)理念是一种管理技术，它有助于消除生产过剩、等待、运输、库存和生产缺陷所造成的浪费.Kong等[18-19]将准时化策略带入到预制供应链管理理论中，提高了预制供应链的可持续性.Anvari等[20]认为装配式建筑的生产部门、运输部门、现场装配部门是紧密联系的，但是大部分研究讨论调度问题时，将3个部门分开考虑，首次提出一种多目标搜索技术解决项目全过程资源调度问题.

表7 预制供应链绩效管理研究典型文献

供应链管理依赖信息，预制构件实时信息的缺乏导致供应链利益相关者对生产调整、交付、装配计划干扰因素出现时的无效反应.Yin等[21]采用基于无线射频识别(RFID)技术的管理模型检查进料、生产、运输和交付等过程，提高调度效率.Wang等[22]分别模拟基于人工、条形码和RFID支持的预制供应链的3种模型，探讨数据驱动机制和RFID在预制供应链中的应用效益.在动态扰动因素管理上，现有研究集中于单一干扰分析或预防措施评估.

Wang等[23]提出一个整体扰动评价模型，评价预制供应链的环境不确定性，考虑来自供应商、制造商、物流和客户的4类共11种不同程度的干扰水平场景，从操作和经济两方面评估各个扰动因素的重要性，给出了各预防措施实施成本的上限.

3.3 预制供应链风险管理

预制供应链风险管理研究的典型文献，如表8所示.

表8 预制供应链风险管理研究的典型文献

预制供应链的性能往往受到固有的风险干扰和不确定性的限制.传统制造业与预制建筑的融合使得预制供应链在不确定环境中特别脆弱，潜在风险难以被发现，高效的预制供应链管理离不开良好系统的支撑.Luo等[25]论证了工业化建筑系统在中国的发展前景，提醒从业者加强重视预制构件生产，并讨论了推广实施的风险因素.Arashpour等[26]提出创建多技能劳动力资源，将未充分利用的过剩资源直接转移到过度利用的资源中，解决非现场施工活动网络中劳动力资源不平衡的问题.Arashpour等[27]确定了非现场施工的最优工艺集成体系结构.

从设计、制造、物流到现场装配的整条预制供应链管理都存在各种进度风险.文献[28-30]认为以往对预制建筑项目风险的研究主要集中在施工阶段，没有考虑与利益相关者风险及其因果关系，提出以建筑信息模型(BIM)为中心的策略，促进利益相关者的沟通，减轻关键进度风险和风险网络下的相互影响.Mostafa等[31]验证了客户订单信息在非现场建造系统中的重要性.Xue等[32]认为利益相关者协同管理正向影响成本绩效，且成本绩效是利益相关者合作管理的最重要驱动因素.

4 研究空白与未来展望

4.1 预制构件生产调度优化

4.1.1 研究空白 从表6典型文献的发表年份可知，有关预制构件生产调度优化的研究是在整个预制供应链管理研究中最早开始的.经过学者对模型的不断改进和完善，模型不断接近预制构件厂内的真实生产情形.现有研究以遗传算法为主构建数学模型，大多数满足完工时间最小化、生产成本控制的优化目标，未来预制构件生产调度优化研究还需要考虑以下4个内容.

1)与生产计划研究相比，资源分配的研究较少，当前研究只局限于某几种有限的资源，并未全部考虑包括流水线、模具、劳动力和设备等资源，从而限制了所构建优化模型的应用范围.

2)研究静态因素较多，缺乏对预制构件生产过程动态干扰因素(机器故障、订单变化等)的研究，模型无法接近真实的生产环境.

3)目前，研究尚未找到不同资源约束条件下成本和工期两个相互矛盾目标之间平衡的最优方案.

4)在模型优化求解的研究方面，大多数研究以遗传算法或改进的遗传算法为主，但是作为元启发式算法的遗传算法有一定的局限性，最终的调度方案只是基于目标函数值而不是基于真实的生产系统[33]，且无法保障解的准确性.

4.1.2 未来展望 在资源限制方面，资源分配制约生产计划的实现，如劳动力、模具等，因此，需进一步根据车间实际情况优化资源配置以拓展现有的研究.

在求解模型的算法上，目前，一些研究已经开始采用结合了NEH(Nawaz Enscore Ham)法和优先规则的新颖元启发式算法解决流水车间调度问题.文献[34-35]提出利用改进布谷鸟搜索(ICS)算法、混合猴群搜索(HMSA)算法求解流水车间调度问题.秦旋等[36]在预制构件流水车间的多目标生产调度优化中，设计一种新颖的多目标混合共生生物搜索(MOHSOS)算法.这些新颖算法结合局部搜索策略的改进提升了算法的效率和质量，为未来生产调度模型的求解提供了借鉴.在动态管理方面，生产过程中的不确定因素会打乱原有安排，为了应对实际生产环境下的各种突发车间干扰情况，如机器故障、紧急插单，交货期变更、订单取消等[37-39]，对其中产生较大损失的干扰进行预先控制，或在干扰因素发生后能够及时启动重调度方案[40]，这也将是未来研究的重点.

4.2 预制供应链绩效管理

4.2.1 研究空白 目前，在整个预制供应链环节中，对存储与运输交付的研究较少.基于RFID的运输跟踪方法确保预制供应链管理者获得准确的库存、运输和接收实时信息，构成未来智能预制供应链的重要部分.整条预制供应链绩效研究在未来将是主要研究方向，但应突破目前3个局限.

1)在实际的预制供应链中，存储与生产密切相关，在不影响交付期的前提下，可以通过生产计划降低库存，但现有研究优化目标大多集中于最小化最大完工时间，较少从成品库存方面进行考虑.

2)对于整个供应链的监管，预制构件实时信息的获取主要是为了追踪进度，方便管理人员对生产过程进行监控，但目前实时信息利用率低，并未达到改善预制供应链运营效果的预期.

3)现有对预制供应链扰动响应的研究局限于单一扰动类型，其响应或预防措施针对的是单个阶段，但在实际预制供应链中，干扰程度是由多个阶段的不同因素共同影响决定的.

4.2.2 未来展望 预制供应链的各个环节及参与方都紧密联系、相互制约，因此，供应链管理整体绩效存在多个扰动因素.与静态约束相比，动态因素的不确定性会产生更大的风险，建立整条预制供应链的动态扰动机制，将各阶段干扰的优先级评估、预防措施评估和干扰发生时的响应能力优化评估相结合，可以降低预制供应链的潜在风险.

智能供应链将是新的研究方向，基于BIM的协作平台、RFID等信息技术能够为预制供应链的各参与方提供项目的实时信息，能够提高供应链的运营绩效.在生产阶段的进度控制、存储阶段的成品保护，以及保证准时交付过程中，智能供应链能够实现项目的全过程监控，极大降低了项目的完工风险.因此，最大限度开发所获取信息以供决策者使用是未来研究的方向.

4.3 预制供应链风险管理

4.3.1 研究空白 从不同方面提出的改善预制供应链脆弱性方法对完善预制供应链管理理论起到了很好的补充作用，为了有效应用于工程实践，预制供应链风险管理研究还需要考虑以下3个内容.

1)基本的人类行为问题(如动机、学习曲线和沟通)，对整合存在人为因素的管理过程的成功有重要影响，有待进一步研究.

2)预制供应链管理过程风险识别需进一步研究，同时，需要研究风险缓解策略及方法，以确定其应对风险的有效性.

3)对非现场施工管理系统或成本管理系统的开发，案例样本容量较少且缺乏比较研究，开发的系统一般只应用于特定的环境和标准下，不具有普适性.

4.3.2 未来展望 系统的构建过程应纳入利益相关者的风险，不仅需要识别风险，而且需要进一步研究风险应对策略，开发具有普遍适用性的预制供应链管理系统.虽然高自动化是预制供应链管理发展的追求，但某些阶段对人为因素导致的风险同样不可忽视.因此，技术人员和管理人员的心理、行为等影响可作为拓展预制供应链系统开发的补充研究.

5 结束语

以Web of Science核心合集数据库的2000-2019年相关装配式建筑预制建设活动文献为对象，对发文量年度分布及影响力进行分析.通过VOSviewer软件提取了该研究领域作者合作网络、关键术语共现网络及主题分类可视化网络，呈现预制供应链管理理论的研究现状和热点.对预制构件生产调度优化、预制供应链绩效管理和预制供应链风险管理分别选取典型文献进行综述，分析主要研究者的代表性工作，梳理预制供应链管理各主题的研究现状.针对现有研究总结研究空白，指出未来可能的研究机会和改善方向，这将对中国的预制供应链管理实践和装配式建筑推广起到重要的引导作用.